7.3. Шероховатость и сцепные качества дорожных покрытий

В дорожной практике показателем надежности контакта автомобильной шины с дорожным покрытием служит величина сопротивления скольжению автомобильной шины по поверхности проезжей части дороги, оцениваемая значением коэффициента сцепления. Коэффициентом сцепления называют отношение величины реактивной силы, действующей на колесо автомобиля в плоскости его контакта с покрытием, к величине вертикальной нагрузки, передаваемой колесом на покрытие. По физической сущности коэффициент сцепления представляет собой коэффициент трения пары «резина протектора автомобильной шины - покрытие проезжей части дороги». Сила трения (реактивная сила) в контакте пары трения формируется двумя составляющими: молекулярной (адгезионной) и деформационной. Первая составляющая является результатом молекулярного взаимодействия контактирующих материалов. Ее величина зависит от материала дорожного покрытия (например, асфальтобетон или цементобетон) и продолжительности контакта (т.е. скорости движения взаимодействующей пары относительно одна другой). Вторая составляющая формируется в результате затрат энергии на взаимную деформацию контактирующих тел выступами неровностей, находящимися на их поверхности. На сухих дорожных покрытиях сила трения в контакте шины формируется в основном за счёт молекулярной составляющей. На покрытиях, имеющих на своей поверхности пленку воды, автомобильного масла или топлива, пыли, сила трения в основном формируется её деформационной составляющей. Молекулярная составляющая появляется только после разрыва пленки смазки неровностями на поверхности контактирующих тел и вступления их в непосредственное соприкосновение.

На процессы, протекающие в зоне контакта шины с покрытием, и, соответственно, на величину силы трения (реактивную силу) и величину коэффициента сцепления оказывает влияние комплекс факторов: материал дорожного покрытия, состав и свойства резины протектора автомобильной шины, неровности на поверхности дорожного покрытия (шероховатость) и беговой дорожки протектора шины, вертикальная нагрузка на колесо автомобиля и скорость его движения, состояние покрытия дороги и др. (табл. 7.4). При этом неровности шероховатости поверхности дорожных покрытий оказывают решающее влияние на силу трения в контакте автомобильных шин при любых условиях движения автомобиля, даже (в определенной мере) на заснеженных покрытиях дорог.

Таблица 7.4

Исследования сцепных свойств дорожных покрытий в России (СССР) были начаты в тридцатые годы XX века. Одним из первых в России такое исследование провел в МАДИ М.С. Замахаев (в 1939 г.). Значительное развитие исследования сцепных качеств покрытий дорог получили в 60-80-е г. XX века, в работах Э.Г. Подлиха, В.А. Астрова, М.А. Паршина, М.В. Немчинова, Л.Г. Марьяхина, В.И. Жукова, B.C. Порожнякова, Ю.В. Кузнецова. Взаимодействие автомобильной шины с поверхностью качения рассмотрено в работах специалистов-шинников В.И. Кнороза, Е.В. Кленникова, А.С. Литвинова, С.М. Цукерберга и др. Одновременно значительные исследования в этой области проводились за рубежом. В качестве примера можно назвать книгу «MechanicsofPneumaticTires» (1971, 1981), обобщающую результаты исследований сцепных свойств автомобильных шин.

Анализ и обобщение исследований отечественной школы в области трения (работ И.В. Крагельского, Г.М. Бартенева и их учеников), результатов исследований специалистов-дорожников Л.Г. Марьяхина, В.М. Юмашева, а также исследования проф. М.В. Немчинова позволили в 70-80-х г. XX века обосновать требования к текстуре (шероховатости) поверхности дорожных покрытий из условия обеспечения сцепных качеств дорожных покрытий, установить закономерности ее изменения под воздействием колес проходящих по дороге автомобилей в процессе службы дорожных покрытий, нормировать высоту выступов и глубину впадин неровностей шероховатости и с учётом этих факторов предложить метод расчёта параметров текстуры дорожных покрытий [63]. Зависимость коэффициентов продольного и поперечного сцепления от макрошероховатости покрытия дороги представлена на рис. 7.7-7.9.

Рис. 7.7. Зависимость коэффициента продольного сцепления от макрошероховатости асфальтобетонного покрытия при сухом (_c) и мокром (_т) его состоянии: шина 6,45-13Р с новым рисунком протектора; скорость скольжения полностью блокированного колеса, км/ч: а - 40, б - 60, в - 80; температура воздуха +20...22С (М.В. Немчинов)

Рис. 7.8. Зависимость коэффициента поперечного сцепления от макрошероховатости дорожного покрытия в диапазоне скорости от 48 до 120 км/ч: 1 - движение колеса с проскальзыванием; 2 - 100 %-ная блокировка колеса (Ю.В. Кузнецов)

Рис. 7.9. Зависимость коэффициента продольного сцепления от макрошероховатости поверхности асфальтобетонного покрытия зимой: а - покрытие чистое (от снега), сухое; температура воздуха -14...-15C; б - покрытие чистое (от снега), мокрое; температура воздуха -2...-4°С; скорость движения, км/ч: 1 - 40, 2 - 60, 3 - 80 (М. В. Немчинов)

Шероховатость поверхности (в теории трения - текстура) дорожного покрытия представляет собой совокупность неровностей, не вызывающих низкочастотных колебаний автомобиля на подвеске и не влияющих на работу его двигателя. Шероховатость делят на две группы: макро и микрошероховатость. К макрошероховатости относят неровности длиной более 2-3 мм и высотой более 0,2-0,3 мм, обычно формируемые частицами (зернами) щебня, используемого при строительстве покрытий дороги или в результате специальной его обработки. К микрошероховатости относят меньшие неровности, как правило, обусловленные собственной шероховатостью поверхности зерен щебня. По степени шероховатости поверхности дорожные покрытия разделяют на (по Л.Г. Паниной, Л.Г. Марьяхину, А.Я. Эрастову, А.П. Васильеву) на семь групп (табл. 7.5).

Таблица 7.5

Классификация дорожных покрытий по шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности асфальтобетонных покрытий создается путем строительства шероховатых слоев износа или строительства покрытий из многощебенистых асфальтобетонных смесей. На цементобетонных покрытиях шероховатость создается в процессе строительства путём соответствующей обработки поверхности свежеуложенного бетона.

В процессе эксплуатации покрытия происходит уменьшение - износ шероховатости его поверхности. Износ проявляется в уменьшении высоты и шлифовке неровностей шероховатости. На характер и интенсивность этого процесса влияют: интенсивность движения автомобилей и состав транспортного потока; размер щебня, использованного для строительства слоя износа; содержание щебня в асфальтобетонной смеси, погодно-климатические условия. Уменьшение макрошероховатости покрытия вызвано воздействием колёс проходящих автомобилей и протекает в два этапа. На асфальтобетонных покрытиях после открытия движения транспорта макрошероховатость быстро уменьшается в результате погружения щебня, формирующего неровности макрошероховатости. Ввиду небольшой продолжительности первого этапа эффект шлифовки не успевает проявиться в должной мере. На втором этапе, характеризующемся замедлением, а затем и прекращением погружения щебня, основной причиной уменьшения шероховатости покрытия становится шлифовка неровностей макрошероховатости, в результате которой объём выступающей части зерен щебня постепенно уменьшается, а сами они приобретают окатанную форму. Общая закономерность уменьшения макрошероховатости асфальтобетонного покрытия описывается уравнением:

R_cp=a·e^-bM+c, где                                                                                                             (7.16)

R_cp- осредненная глубина неровностей макрошероховатости, мм;М- количество прошедших автомобилей;a,b,c- коэффициенты, зависящие от размера щебня, твердости покрытия и состава транспортного потока.

Погружение щебня поверхностного слоя покрытия происходит под воздействием колес проходящих по дороге автомобилей. Чем выше интенсивность движения и чем больше в транспортном потоке тяжёлых автомобилей, тем интенсивнее идёт этот процесс. Однако большое значение имеет и динамическое воздействие колёс на выступы неровностей шероховатости (табл. 7.6, рис. 7.10).

Таблица 7.6

Влияние интенсивности движения и состава транспортного потока на уменьшение (в %) макрошероховатости дорожного покрытия. Покрытие - асфальтобетон типа В. Срок службы покрытия - 1 год (данные проф. М.В. Немчинова)

Рис. 7.10. Зависимость уменьшения макрошероховатости от числа прошедших автомобилей при различной крупности щебня: 1 - 5-10 мм (втапливание щебня, начальная глубина впадин макрошероховатости 2,3 мм); 2 - 15-20 мм; 3 - 20-25 мм; 4 - 25-35 мм; 2-4 - поверхностная обработка с начальной глубиной впадин макрошероховатости 7,5 мм; покрытие - мелкозернистый асфальтобетон типа В

Твёрдость характеризует сопротивление покрытия погружению щебня, формирующего неровности макрошероховатости, и оценивается по глубине погружения иглы специального прибора - твердомера. Установлено, что уменьшение макрошероховатости слоя износа в результате погружения щебня линейно связано с глубиной погружения иглы твердомера. В зависимости от твердости асфальтобетонные покрытия делят на пять групп: очень твёрдые - с глубиной погружения иглы твердомера 0-2 мм, твёрдые - 2-5 мм, нормальные - 5-8 мм, мягкие - 8-12 мм, очень мягкие - 12-21 мм. Твёрдость асфальтобетонных покрытий зависит от содержания щебня в минеральной части асфальтобетонной смеси: чем больше щебня, тем выше твёрдость. Однако повышение температуры покрытия приводит к снижению его твёрдости и, соответственно, к усилению погружения щебня слоя износа в покрытие под воздействием колёс автомобилей.

Уменьшение микрошероховатости, обусловленное шлифующим воздействием колёс автомобилей, определяется свойствами исходной горной породы (зернистостью, количественным и качественным соотношением минералов в ней, степенью выветрелости породы), количеством абразива на покрытии (пыли и продуктов износа самого покрытия), наличием воды и характеристиками транспортного потока. Так же, как и в случае макрошероховатости, рост интенсивности движения тяжёлых грузовых автомобилей приводит к ускорению процесса шлифовки зёрен щебня. Уменьшение макро- и микрошероховатости приводит к ухудшению сцепных качеств мокрых дорожных покрытий (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Снижение сцепных качеств мокрого покрытия и уменьшение макрошероховатости его поверхности в процессе службы дороги: поверхностная обработка из щебня размером 20-25 мм (начальная глубина впадин R_нач= 7,5 мм) на покрытии из асфальтобетона типа В

Шероховатость поверхности покрытия помогает обеспечить непосредственный контакт автомобильных шин с поверхностью проезжей части дороги в случае наличия на ней воды. Вода на проезжей части дороги появляется во время дождя, при таянии снега, конденсации водяных паров из воздуха. Достаточно часто во время дождей на покрытии образуется слой стекающей воды, причем эта вода оказывает на колёса движущихся автомобилей гидродинамическое подъёмное действие. При определенных условиях (глубина слоя воды в несколько миллиметров, скорость движения 80 км/ч и более, достаточно изношенный рисунок протектора шин) гидродинамическое давление способно оторвать колёса автомобиля от дорожного покрытия. В этом случае автомобиль начинает скользить передними колесами по слою воды (возникает явление глиссирования колёс автомобиля, в литературе чаще называемое аквапланированием) и становится неуправляемым. Единственный способ недопущения этого - с помощью неровностей шероховатости покрытия уменьшить толщину слоя воды, оказывающего гидродинамическое давление на колёса автомобиля (толщину активного слоя). По данным М.В. Немчинова, наименьшая допустимая по условиям недопущения явления глиссирования автомобилей высота выступов шероховатости может быть определена из выражения:

R_cp=H-h_aкт+h_вд, мм, где                                                                                                  (7.17)

R_cp- средняя высота выступов макрошероховатости на покрытии, мм;

H- глубина слоя стока на покрытии во время дождя, мм;

h_aкт- глубина активного слоя жидкости на покрытии, мм;

h_вд- глубина вдавливания выступов шероховатости в резину протектора автомобильных шин, мм;

H= ([a·L·n]/[30·i^1/2])^0,6, где                                                                                                 (7.18)

а- интенсивность дождя, мм/мин;

L- длина участка стока воды по покрытию (функция ширины, продольного и поперечного уклонов проезжей части);

п- коэффициент гидравлической шероховатости поверхности покрытия;

i- уклон стока (функция продольного и поперечного уклонов проезжей части дороги).

Предельно допустимую по условиям недопущения явления глиссирования высоту выступов макрошероховатости можно найти, приравняв скорость движения автомобиля, скорости начала скольжения его шин по слою воды на покрытии дороги по уравнению:

H=G/k·p·b·V², где                                                                                                               (7.19)

G- вертикальная нагрузка (сила) на колесо, передаваемая от автомобиля;

k- коэффициент, учитывающий особенности взаимодействия колеса автомобиля с плёнкой воды на покрытии дороги (рис. 7.12);

р- плотность воды;

b- ширина беговой дорожки шины;

V- скорость начала скольжения шины.

Рис. 7.12. Значения коэффициента kв формуле (7.19)

Шероховатость поверхности дорожных покрытий оказывает влияние не только на их сцепные качества. Шероховатость увеличивает уровень транспортного шума от автомобилей (минимальный уровень шума от легковых автомобилей наблюдается при глубине впадин шероховатости 1 мм), на уровень вибрации в салоне автомобиля (для отечественных легковых автомобилей величина вертикальной составляющей виброускорения на рабочем месте водителя превосходит санитарную норму уже при глубине впадин более 6 мм - при скорости движения 80 км/ч), благоприятно влияет на психофизиологическое состояние водителей при поездках по мокрым дорогам и зимой (при чистой от снега проезжей части). При качении колес автомобиля неровности шероховатости не увеличивают износ протектора автомобильных шин. При резком торможении и блокировке колёс неровности шероховатости не только деформируют резину протектора шин, но способны вызвать ее повреждение (царапины). Для этого требуются дополнительные затраты энергии, что, в конечном итоге, способствует повышению коэффициента сцепления и уменьшению длины тормозного пути автомобиля.

Многофункциональность неровностей шероховатости на поверхности дорожных покрытий заставляет нормировать их параметры: минимальную допустимую глубину впадин макрошероховатости, максимальную высоту выступов, максимальное расстояние между выступами шероховатости. Требования к шероховатости дорожных покрытий сформулированы в отраслевом нормативном документе «Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью», первая редакция которого была опубликована в 1978 г. (ВСН 38-77), вторая в 1990 г. (ВСН 38-90) (табл. 7.7).

Таблица 7.7

Минимально допустимые (в течение всего срока службы покрытия) значения коэффициента продольного сцепления и средней глубины впадин шероховатости (ВСН 38-90)

Примечание. Без скобок приведены значения глубины неровностей макрошероховатости для шероховатых поверхностей, в скобках - для шипованных.

Начальную макрошероховатость покрытия (т.е. шероховатость в момент сдачи дороги в эксплуатацию после строительства или ремонта) назначают в зависимости от условий движения, категории дороги, климатического района и применяемого способа устройства шероховатости. Во избежание усиления вибрации автомобилей во время движения расстояние между соседними выступами шероховатости не должно быть более 40 мм.